TU Darmstadt / ULB / TUprints

Electron Clouds in High Energy Hadron Accelerators

Petrov, Fedor :
Electron Clouds in High Energy Hadron Accelerators.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
TUDthesis_Petrov.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (2MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Electron Clouds in High Energy Hadron Accelerators
Language: English
Abstract:

The formation of electron clouds in accelerators operating with positrons and positively charge ions is a well-known problem. Depending on the parameters of the beam the electron cloud manifests itself differently. In this thesis the electron cloud phenomenon is studied for the CERN Super Proton Synchrotron (SPS) and Large Hadron Collider (LHC) conditions, and for the heavy-ion synchrotron SIS-100 as a part of the FAIR complex in Darmstadt, Germany. Under the FAIR conditions the extensive use of slow extraction will be made. After the acceleration the beam will be debunched and continuously extracted to the experimental area. During this process, residual gas electrons can accumulate in the electric field of the beam. If this accumulation is not prevented, then at some point the beam can become unstable. Under the SPS and LHC conditions the beam is always bunched. The accumulation of electron cloud happens due to secondary electron emission. At the time when this thesis was being written the electron cloud was known to limit the maximum intensity of the two machines. During the operation with 25 ns bunch spacing, the electron cloud was causing significant beam quality deterioration. At moderate intensities below the instability threshold the electron cloud was responsible for the bunch energy loss. In the framework of this thesis it was found that the instability thresholds of the coasting beams with similar space charge tune shifts, emittances and energies are identical. First of their kind simulations of the effect of Coulomb collisions on electron cloud density in coasting beams were performed. It was found that for any hadron coasting beam one can choose vacuum conditions that will limit the accumulation of the electron cloud below the instability threshold. We call such conditions the "good" vacuum regime. In application to SIS-100 the design pressure 10e−12 mbar corresponds to the good vacuum regime. The transition to the bad vacuum regime can happen for pressures larger than 10e−11 mbar. For the SPS and LHC conditions the simulations of the electron cloud wake fields were performed. The wake fields calculated using VORPAL were compared with the results of the 2D electrostatic code for the first time. In the latter the beam-cloud interaction is purely transverse. It was found that the results of the simplified code agree very well with the results of 3D electromagnetic simulations in VORPAL. Moreover, based on the kick approximation an analytical expression for the longitudinal electron cloud wake field was derived. The analytical expression gives a good agreement with the simulation result for very low bunch intensities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Bildung von Elektronenwolken ist in Positron- und Ionenbeschleunigern ein bekanntes Problem. Abhängig von den Strahlparametern können sich Elektronenwolken verschiedenartig äußern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Elektronenwolken im Large Hadron Collider (LHC) und im Super Proton Synchrotron (SPS) bei Genf (Schweiz) sowie im Schwerionensynchrotron SIS-100 als Teil des FAIR-Projekts (Facility for Antiproton and Ion Research) bei Darmstadt (Deutschland). Am SIS-100 soll langsame Extraktion durchgeführt werden: Nachdem der Strahl die Extraktionsenergie erreicht hat, wird er in einen Gleichstromstrahl umgeformt und innerhalb etwa einer Sekunde zu den Experimenten extrahiert. Werden genügend Elektronen akkumuliert, wird der Strahl instabil. Im Vergleich zum SIS-100 sind die Teilchen im Strahl unter SPS- und LHC-Bedingungen immer in Teilchenpaketen gebündelt. In einem solchen Strahl werden die Elektronen durch Sekundäremission erzeugt. Während der Anfertigung dieser Arbeit stellte sich heraus, dass die Strahlintensität im LHC und im SPS durch Elektronenwolken begrenzt wird. Unter anderem wird die Strahlqualität beim Betrieb mit 25ns Abstand zwischen den Paketen durch Elektronenwolken hoher Dichte stark beeinträchtigt. Darüber hinaus äußern sich beim Betrieb mit größerem Abstand schon Elektronenwolken geringer Dichte in einem messbaren Verlust der Strahlenergie. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde festgestellt, dass die Stabilitätsgrenze von gleichförmigen Ionenstrahlen mit gleichen Emittanzen, Energien und raumladungserzeugten Betatronfrequenzverschiebungen identisch ist. Dabei wurden erstmals Simulationen durchgeführt, in denen die Auswirkung von Coulombstößen auf die Elektronendichte berücksichtigt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass für jeden Gleichstromstrahl eine Restgasdichte gefunden werden kann, ab der die Elektronenwolken kein Intensitätslimit mehr darstellen. Wir nennen solche Bedingungen ein "gutes" Vakuum. Im SIS-100 ermöglicht der geplante Restgasdruck von 10e−12 mbar diesen Betrieb. Für SPS- und LHC-Bedingungen wurden Simulationen der Elektronenwolkenwakefelder durchgeführt, unter anderem erstmals 3D-Simulationen. Die Resultate der mit Hilfe der Software VORPAL durchgeführten 3D-Simulationen wurden mit den Ergebnissen von elektrostatischen 2D-Codes verglichen. In Letzteren wird nur die Wechselwirkung zwischen Elektronenwolke und Strahl transversal zur Strahlrichtung berücksichtigt. Bei diesem Vergleich wurde festgestellt, dass die 2D-Approximation die Ergebnisse der 3D-Simulationen in guter Näherung reproduziert. Darüber hinaus wurde ein analytischer Ausdruck für das longitudinale Elektronenwolkenwakefeld abgeleitet. Für niedrige Strahlintensitäten wurden mit dem analytischen Ausdruck Ergebnisse erzielt, die sehr gut mit denen der Simulationen übereinstimmen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: electron clouds, accelerators, SIS100, LHC, SPS, wakefields, coasting beams, bunched beams, heavy ion beams, proton beams, Coulomb heating, simulations, VORPAL, Particle-in-Cell, Residual gas ionization, Secondary Electron Emission
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
электронные облака, ускорители, кильватерные поля, Кулоновский нагрев, пучки тяжёлых ионов, бунчированные пучки, БАК, численное моделирование, ионизация остаточного газа, вторичная электронная эмиссияRussian
Elektronenwolken, Beschleuniger, Kielfelder, Schwerionenstrahl, LHC, SPS, SIS100, Gleichstromstrahl, Protonenstrahl, Restgasionisierung, SekundäremissionGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
Date Deposited: 04 Sep 2013 14:46
Last Modified: 04 Sep 2013 14:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35893
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Weiland, Prof. Dr. Thomas and Dieter, Prof. Dr. Hoffmann
Refereed: 13 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3589
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year